O diamante Chemical Vapor Deposition (CVD) refere-se ao uso do método CVD, sob condi??es de baixa press?o, com gases contendo carbono, como H2 e CH4, como gás de rea??o, rea??es químicas sob plasma assistido e certas condi??es de temperatura, resultando em partículas sólidas deposi??o Diamante obtido na superfície aquecida do substrato. Semelhante ao diamante natural, o diamante CVD é um cristal de um único átomo de carbono e pertence a um sistema cúbico. Cada átomo de C no cristal forma uma liga??o covalente com o orbital híbrido sp 4 e outros 4 átomos de C, e tem forte for?a de liga??o e estabilidade. Natureza e direcionalidade; o comprimento da liga??o e o angulo de liga??o entre os átomos de C e os átomos de C s?o iguais e est?o dispostos em uma estrutura de rede espacial ideal, fazendo com que os diamantes CVD exibam propriedades mecanicas, térmicas, ópticas e elétricas comparáveis aos diamantes naturais. Desempenho abrangente

Como todos sabemos, as reservas naturais de diamantes no mundo natural, os custos de minera??o s?o altos, o pre?o é caro, é difícil promover amplamente a aplica??o no campo industrial. Portanto, a síntese de diamante por métodos artificiais como alta temperatura e alta press?o (HTHP) e CVD tornou-se gradualmente a principal forma de as pessoas obterem materiais t?o excelentes com excelentes propriedades. Os produtos de diamante sintetizados pelo método HTHP est?o geralmente no estado de partículas discretas de um único cristal. Embora o método HTHP tenha sido capaz de sintetizar grandes monocristais com diametros maiores que 10 mm com o desenvolvimento da ciência e tecnologia, os produtos atuais ainda s?o principalmente monocristais com diametro de 5 mm ou menos. E principalmente pó de diamante. Em contraste, o tamanho do cristal único de diamante sintetizado pelo método CVD é determinado pelo tamanho do cristal de semente, e um cristal único de diamante de tamanho maior também pode ser obtido usando métodos de crescimento múltiplo e "mosaico". Além disso, o método CVD também pode ser usado para preparar filmes autoportantes de diamante de grande área por deposi??o heteroepitaxial ou para revestir diamantes na superfície de várias formas complexas para formar um revestimento protetor ou resistente ao desgaste, o que expande muito a aplica??o de diamante. Pode-se ver que o diamante CVD tem uma gama muito ampla de perspectivas de aplica??o em muitos campos, como usinagem, defesa e indústria nuclear. Entre eles, a aplica??o na indústria de usinagem inclui principalmente afiadores de rebolos, canetas de corte, várias ferramentas de corte, etc. Quando usados nesses aspectos, apenas a dureza, resistência ao desgaste e estabilidade química do diamante est?o envolvidos, e a transparência n?o é requeridos. As propriedades como perda dielétrica e prepara??o do produto s?o relativamente fáceis, ent?o a aplica??o na ferramenta é o principal campo de aplica??o industrial em larga escala do diamante CVD.

Os cortadores de diamante atualmente no mercado incluem principalmente ferramentas de diamante de cristal único, ferramentas de diamante policristalino (PCD), ferramentas de soldagem de filme espesso de diamante e ferramentas revestidas de diamante. Os dois últimos s?o aplica??es do diamante CVD como ferramenta. Entre eles, a ferramenta de soldagem de filme espesso diamantado é geralmente preparada cortando um filme espesso de diamante autoportante CVD com uma espessura de 0,3 mm ou mais e depois soldando-o em um substrato. Como os filmes espessos de diamante podem ser cortados em qualquer formato bidimensional, eles s?o mais baratos e mais flexíveis do que as ferramentas de cristal único. Além disso, Co-bonds n?o s?o incluídos em filmes espessos de diamante em compara??o com ferramentas de PCD. Alta precis?o de usinagem e alta taxa de desgaste.

Para ferramentas revestidas de diamante, o método CVD é usado para aplicar um revestimento de diamante com menos de 30 μm de espessura na superfície do corpo da ferramenta. Comparado com as outras três ferramentas, o método CVD pode aplicar diamante em ferramentas com formas complexas, incluindo várias brocas, fresas, etc.; e como o revestimento de diamante é fino e o tempo de deposi??o é curto, a ferramenta revestida n?o precisa de acompanhamento. Processamento, ent?o o custo é baixo.

Portanto, a análise atual do mercado de ferramentas geralmente acredita que as ferramentas revestidas de diamante CVD ser?o uma das dire??es de desenvolvimento mais importantes da indústria de ferramentas. Dos muitos materiais de ferramenta, o metal duro WC-Co é o mais amplamente utilizado. N?o só tem alta dureza, excelente estabilidade térmica, mas também tem alta resistência e boa tenacidade. é o revestimento de diamante ideal. Material de base da ferramenta de camada. As ferramentas de corte de metal duro revestidas de diamante CVD preparadas a partir de diamante CVD na superfície do metal duro WC-Co podem combinar perfeitamente a excelente resistência ao desgaste do diamante, dissipa??o de calor e boa tenacidade do metal duro. Resolva efetivamente a contradi??o entre a dureza e a tenacidade dos materiais de ferramentas existentes e melhore muito o desempenho de corte e a vida útil das ferramentas de metal duro. No metal n?o ferroso e suas ligas, várias partículas ou materiais compósitos refor?ados com fibras, ceramicas de alto desempenho e outros materiais de processamento O campo tem amplas perspectivas de aplica??o.

Fig. 1 Arestas de corte (a) da ferramenta n?o revestida e (b) da ferramenta revestida de diamante após testes de corte

Fig. 2 Canais fresados de topo representativos em liga de Al após serem cortados por (a) ferramenta n?o revestida e (b) ferramenta revestida de diamante

Em resumo, as ferramentas de metal duro com revestimento de diamante apresentam excelente desempenho em termos de torneamento, fresamento e fura??o. Por exemplo, o desgaste da aresta de corte é pequeno, a vida útil é longa e a usinagem n?o é “grudada” e alta precis?o de processamento. Portanto, em compara??o com outras ferramentas, as ferramentas de metal duro com revestimento de diamante podem atender melhor aos requisitos de processamento dos novos materiais atuais e do corte de ultraprecis?o.

Embora um grande número de resultados de pesquisa tenha mostrado que as ferramentas de metal duro com revestimento de diamante CVD têm excelente desempenho e longa vida útil, também há relatos de testes de produ??o bem-sucedidos por alguns fabricantes no país e no exterior. Mas até agora, essa ferramenta n?o foi aplicada na produ??o industrial em larga escala. A principal raz?o é que as ferramentas revestidas de diamante atualmente produzidas ainda apresentam problemas como baixa resistência de uni?o entre o revestimento e o substrato, grande rugosidade da superfície do revestimento de diamante e baixa estabilidade de qualidade. Entre eles, a baixa resistência de uni?o do revestimento é um obstáculo técnico fundamental que limita a aplica??o em larga escala dessa ferramenta.

A principal raz?o para a baixa resistência de uni?o dos revestimentos de diamante é a presen?a de fases co-ligadas em substratos de metal duro. Em temperaturas de deposi??o de diamante CVD (600 ~ 1200 ° C), o Co tem uma alta press?o de vapor de satura??o, se difundirá rapidamente para a superfície do substrato, inibirá a nuclea??o e o crescimento do diamante e catalisará a forma??o de grafite e carbono amorfo, levando ao revestimento de diamante e A resistência de uni?o entre substratos de metal duro é reduzida. Além disso, a diferen?a nas propriedades físicas, como constante de rede, dureza e coeficiente de expans?o térmica (CTE) entre materiais de diamante e metal duro, também é uma das principais causas da baixa resistência de uni?o do revestimento.

O diamante é um cristal cúbico de face centrada com uma constante de rede a0 = 0,35667 nm, uma dureza de 60 ~ 100 GPa e um CTE de 0,8 ~ 4,5 × 10-6 /°C. O metal duro consiste principalmente de partículas de WC e um ligante de Co. WC Para a estrutura cristalina hexagonal compacta, a constante de rede a = 0,30008 nm, c = 0,47357 nm, a dureza do carboneto cimentado é de aproximadamente 17 GPa e o CTE é de aproximadamente 4,6 × 10-6 /°C. Essas diferen?as resultar?o em revestimento de diamante e A tens?o térmica na interface do substrato de metal duro n?o é propícia à ades?o do revestimento de diamante no substrato de metal duro.

Um grande número de estudos mostrou que o pré-tratamento da superfície do substrato de carboneto cimentado para reduzir o efeito adverso do aglutinante de Co na deposi??o do revestimento de diamante é o método mais eficaz para melhorar a resistência de liga??o do revestimento de diamante/carboneto cimentado substrato. Os principais métodos de pré-tratamento atuais incluem:

Este método geralmente adota meios físicos ou químicos para remover o Co da camada superficial de WC-Co de modo a suprimir ou eliminar sua influência negativa e melhorar a for?a de liga??o entre o revestimento de diamante e o substrato. Dentre eles, o mais utilizado na indústria é o “método ácido-base em duas etapas”, que utiliza a solu??o de Murakami (1:1:10 KOH+K3[Fe(CN)6]+H2O) para corroer o vaso sanitário partículas e enrugar a liga dura. A superfície foi ent?o gravada com solu??o de Caroácido (H2SO4 + H2O2) para remover o Co da superfície. Este método pode inibir o efeito catalítico negativo do Co até certo ponto e melhorar a for?a de liga??o do revestimento de diamante. No entanto, após o processamento, ele formará uma zona solta perto do substrato próximo à camada superficial, reduzirá a resistência à fratura da ferramenta revestida e o Co Quanto maior o teor do ligante, mais severo será o impacto no desempenho da ferramenta.

O método é preparar uma ou mais camadas de camadas de transi??o entre o revestimento de diamante e o substrato de carboneto cimentado para bloquear a difus?o de Co e suprimir seu efeito catalítico negativo na deposi??o de diamante. Por meio de sele??o e projeto de material razoável, a camada de transi??o preparada também pode reduzir a mudan?a abrupta das propriedades físicas da interface e reduzir o estresse térmico causado pelas diferen?as nas propriedades físicas, como CTE, entre o revestimento e o substrato. A aplica??o do método da camada de transi??o geralmente n?o causa danos à camada superficial do substrato, nem afeta as propriedades mecanicas, como a resistência à fratura da ferramenta de revestimento, e pode preparar revestimentos de diamante CVD em carbonetos cimentados com alto teor de Co. , e, portanto, está atualmente pesquisando e melhorando o WC- O método preferido de colagem do revestimento de diamante na superfície do substrato de Co.

De acordo com a análise anterior, a aplica??o do método da camada de transi??o pode suprimir efetivamente o efeito catalítico negativo do Co e n?o danificará a matriz. No entanto, para atingir efetivamente a fun??o de aumentar a for?a de liga??o do revestimento de diamante, a sele??o do material e o método de prepara??o da camada de transi??o s?o muito importantes. A sele??o de materiais de camada de transi??o geralmente requer seguir vários princípios:

A temperatura de deposi??o do revestimento de diamante é geralmente de 600 ~ 1200 °C, o material da camada de transi??o pode suportar temperaturas mais altas, n?o ocorre amolecimento e fus?o;

(2) As propriedades de dureza e CTE s?o melhor colocadas entre o diamante e o metal duro para reduzir o estresse térmico causado pelo desempenho incompatível;

(3) Impede que o Co migre para a superfície durante a deposi??o do diamante ou reage com o Co para formar compostos estáveis;

(4) Tem boa compatibilidade com materiais diamantados. O diamante pode nuclear e crescer na superfície da camada de transi??o. No estágio de nuclea??o, o diamante pode nuclear rapidamente e ter uma alta taxa de nuclea??o.

(5) As propriedades químicas s?o estáveis e possuem uma certa resistência mecanica, de modo a evitar a forma??o de uma camada intermediária macia e afetar negativamente o desempenho do sistema de revestimento.

Atualmente, as pessoas estudam e usam mais camadas de transi??o, principalmente metais, carbono/nitretos metálicos e camadas de transi??o compostas compostas por eles. Entre eles, Cr, Nb, Ta, Ti, Al e Cu s?o geralmente usados como materiais de camada de transi??o para a camada de transi??o metálica, e o PVD, galvanoplastia e galvanoplastia s?o comumente usados como métodos de prepara??o, e o método PVD é mais amplamente usado. Os resultados mostram que a camada de transi??o formada pelo metal carbono-fílico é mais eficaz em melhorar a for?a de liga??o do revestimento de diamante do que o metal carbono fraco. No estágio inicial da deposi??o de diamante, uma camada de carboneto é formada pela primeira vez na superfície da camada de metal, e essa camada de carboneto facilita a nuclea??o e o crescimento do diamante. No entanto, a camada de transi??o metálica tem um grande CTE e uma alta exigência de espessura. Se for muito espesso, levará a um aumento no estresse térmico, diminuirá a for?a de liga??o e será muito fino para bloquear completamente a difus?o externa do Co. Além disso, a camada de transi??o do metal é relativamente macia, o que equivale a adicionar uma camada macia no meio da fase dura, que n?o é propícia ao grau de correspondência do desempenho do sistema de revestimento.

A dureza da camada de transi??o carbono/nitreto é superior à do metal puro, e n?o há problema em reduzir o desempenho de uso da ferramenta revestida. WC, TiC, TaC, TaN, CrN, TiN e SiC s?o atualmente os compostos de camada de transi??o mais estudados e usados. Tais camadas de transi??o s?o geralmente preparadas por pulveriza??o catódica de magnetron reativa e outros métodos. Estudos mostraram que a camada de transi??o carbono/nitreto pode efetivamente bloquear a difus?o de Co e, assim, pode melhorar a for?a de liga??o do revestimento de diamante até certo ponto. O grau de melhoria da resistência de liga??o de tais camadas de transi??o geralmente depende da correspondência do CTE da camada de transi??o com a matriz e o diamante, a estrutura da camada de transi??o e a molhabilidade do material da camada de transi??o e do diamante.

Os carbonetos metálicos comuns têm um CTE mais baixo do que os nitretos metálicos e, quando as camadas de transi??o de carboneto s?o usadas, os diamantes podem ser nucleados diretamente na camada de transi??o, o que diminui o tempo de nuclea??o em compara??o com as camadas de transi??o de metal e as camadas de transi??o de nitreto. A partir disso, podemos ver que os carbonetos s?o um dos materiais de camada de transi??o mais ideais. Entre estes materiais de carboneto de metal, HfC, NbC, Ta C e semelhantes têm um CTE relativamente baixo. Além disso, o carboneto n?o metálico SiC possui o menor CTE em todos os carbonetos (β-SiCCTE = 3,8×10-6/°C), que fica entre o carboneto cimentado e o diamante. Portanto, existem muitos estudos sobre a camada de transi??o do SiC. Por exemplo, Cabral G e Hei Hongjun usaram o método CVD para preparar a camada de transi??o de SiC na superfície de metal duro para deposi??o de revestimento de diamante. Os resultados mostram que a camada de transi??o de SiC pode efetivamente melhorar a liga??o entre o revestimento de diamante e o substrato de metal duro.

Intensidade, mas o método CVD preparou diretamente o revestimento de SiC na superfície do metal duro, o conteúdo da fase ligante de Co no substrato de metal duro n?o é fácil de ser muito alto (geralmente <6%), e a temperatura de deposi??o precisa ser controlada em uma faixa baixa (geralmente 800 ° C ou mais). Isso se deve principalmente ao fato de que a a??o catalítica da fase Co-ligante é significativa em altas temperaturas, resultando na forma??o de whiskers de SiC, e há uma grande quantidade de vazios entre os whiskers e n?o pode ser utilizada como camada de transi??o . No entanto, em baixas temperaturas de deposi??o, os revestimentos de SiC amorfos soltos s?o propensos a ocorrer. Portanto, uma faixa de temperatura de deposi??o densa, contínua e que satisfa?a o uso como camada tamp?o da camada de revestimento de SiC é reduzida. Portanto, quando alguns pesquisadores utilizam o SiC como camada de transi??o, para obter alta resistência de uni?o, é necessário primeiro usar o ataque ácido para remover o Co na camada de liga dura. Portanto, a a??o catalítica do Co tornou-se um dos principais fatores que limitam o uso do SiC como camada de transi??o.

A camada de transi??o composta é geralmente um revestimento de múltiplas camadas composto por uma combina??o de dois ou mais tipos de materiais metálicos de carbono/nitreto. Atualmente, existem muitas camadas de transi??o compostas, incluindo W/Al, W/WC, CrN/Cr e ZrN/. Mo, TaN-Mo e 9x (TaN/ZrN)/TaN/Mo, etc., também s?o principalmente métodos PVD ou CVD. Tais camadas de transi??o geralmente incluem uma camada de barreira de difus?o de Co e uma camada promotora de nuclea??o tipo diamante, ou seja, os requisitos funcionais da camada de transi??o s?o totalmente satisfeitos usando um material multicamada razoável. Em compara??o com a camada de transi??o de metal único e a camada de transi??o de carbono/nitreto, a camada de transi??o compósita é mais propícia para melhorar a resistência de liga??o entre o revestimento de diamante e o substrato de carboneto cimentado. No entanto, para obter uma camada de transi??o composta com excelente desempenho, geralmente é necessário realizar uma sele??o e um projeto razoáveis de materiais. Caso contrário, o efeito esperado pode n?o ser alcan?ado devido a grandes diferen?as nas propriedades físicas dos materiais ou ao aumento do número de interfaces.

Do ponto de vista do método de prepara??o da camada de transi??o, atualmente, os pesquisadores usam principalmente deposi??o física de vapor (PVD), galvanoplastia, galvanoplastia e CVD para preparar a camada de transi??o. A camada de transi??o obtida e a matriz geralmente est?o fisicamente ligadas ou apenas existiam. Uma camada de difus?o de nan?metros de espessura, que adiciona uma ou mais novas interfaces entre o revestimento de diamante/substrato de cimento. Uma mudan?a repentina nas propriedades físicas como CTE e dureza entre o material da camada de transi??o e WC-Co também causará problemas de tens?o interfacial, e esta tens?o interfacial aumentará com o aumento da espessura da camada de transi??o e o número de camadas de transi??o, afetando até certo ponto. Aumento da for?a de uni?o. Além do SiC, ainda existem grandes diferen?as em propriedades como CTE e dureza entre outros materiais de camada de transi??o e diamantes, o que n?o é propício para a melhoria da resistência de uni?o. Portanto, para explorar um novo método de prepara??o da camada de transi??o, para obter uma camada de transi??o com um gradiente de composi??o e composi??o, e para evitar o estresse de interface causado pela nova interface, é particularmente importante aumentar a resistência de uni?o do diamante Revestimento.